D型集流管式微通道氣冷器流量分配性能數(shù)值模擬

曹 侃 張蒙蒙 劉敏珊 張麗娜 劉遵超

(1鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院河南省過(guò)程傳熱與節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 鄭州 450002)

(2鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 鄭州 450002)

1 引言

微通道氣冷器結(jié)構(gòu)緊湊、耐壓性好，在小型CO2制冷裝置中，采用微通道氣冷器具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。這主要是由于CO2換熱系數(shù)高、流動(dòng)性能好以及其他物性特點(diǎn)所決定的［1］。近年來(lái)，隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)中微通道氣冷器的流動(dòng)與換熱特性的研究愈來(lái)愈受到各國(guó)研究人員的青睞［2-4］。然而微通道氣冷器的設(shè)計(jì)往往都是以氣冷器各扁管內(nèi)流量均勻分配這個(gè)假設(shè)為前提的，但是在實(shí)際情況中，這種假設(shè)幾乎是無(wú)法達(dá)到的。而換熱器內(nèi)部流量分配的均勻性則直接影響著其換熱性能好壞，因此研究氣冷器內(nèi)部流量分配性能是十分有必要的。

Sa等［5］通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了不同制冷工質(zhì)組的流量分布情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，工質(zhì)R22及R134a組的換熱性能在很大程度上受到其換熱管中的流量分配不均勻性的制約。Lalot等［6］研究換熱器內(nèi)部流量分配不均勻度后發(fā)現(xiàn)，對(duì)于逆流形式的換熱器，流動(dòng)不均勻度導(dǎo)致?lián)Q熱器效能下降7%左右，而對(duì)于交叉流換熱器，流動(dòng)不均勻度則導(dǎo)致?lián)Q熱器效能下降最高達(dá)25%。這一切都表明，換熱器內(nèi)部流量分布均勻度的好壞對(duì)換熱器的性能有著十分重要的影響。目前，大部分氣冷器集管截面設(shè)計(jì)成圓形，而其他型式的集流管則少見(jiàn)報(bào)道。D型管結(jié)構(gòu)緊湊，并且有良好的耐壓性，因此本文提出了一種新型的D型集流管式微通道氣冷器，利用CFD軟件ANSYS15.0對(duì)其進(jìn)行模擬研究，并比較分析了D型集流管與雙圓筒、單圓筒集流管三種不同型式集流管對(duì)微通道氣冷器的流量分配的影響，同時(shí)還分析了D型集流管當(dāng)量直徑、CO2進(jìn)口質(zhì)量流量和CO2進(jìn)口壓力等參數(shù)對(duì)微通道氣冷器流量分配性能的影響，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)數(shù)值模擬計(jì)算的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證。這為設(shè)計(jì)和優(yōu)化微通道氣冷器提供了參考依據(jù)。

2 計(jì)算模型和數(shù)值分析方法

2.1 計(jì)算模型及邊界條件

圖1所示為D型集流管微通道氣冷器的結(jié)構(gòu)模型，其由D型集流管和中間的扁管組成，進(jìn)口為超臨界二氧化碳流體，流體工質(zhì)流入進(jìn)口集流管，在其中流動(dòng)后分配到每一根扁管，從扁管流出后匯于集流管出口后流出。由于在微通道氣冷器中，氣冷器中第一流程換熱的好壞直接決定著整個(gè)氣冷器性能的好壞［7］，故本文主要研究微通道氣冷器第一流程中流量分配不均勻度對(duì)換熱器性能的影響。

圖1 D型集流管微通道氣冷器結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of micro-channel gas cooler with D-type header

本文模擬中超臨界二氧化碳各項(xiàng)物性采用變物性軟件REFPROP7.0，物性輸入采用piecewise-liner，湍流模型采用 RNG k-ε模型，壓力速度耦合采用SIMPLIC算法，二氧化碳側(cè)質(zhì)量流量進(jìn)口，進(jìn)口質(zhì)量流量 mi=0.028 kg/s，進(jìn)口溫度 Ti=358 K，進(jìn)口壓力Pi=10 MPa，壓力出口;扁管壁面則采用恒壁溫Tw=308 K，為了保證數(shù)值計(jì)算的精度，采用雙精度求解器，動(dòng)量、能量以及湍動(dòng)變量的的離散均采用二階迎風(fēng)格式。

為了評(píng)價(jià)每排扁管內(nèi)流量的分配特性，從上到下依次對(duì)扁管進(jìn)行編號(hào)，定義兩個(gè)無(wú)量綱考察參數(shù):扁管流量分配不均勻度ηi和總的流量分配不均勻度S。

扁管流量分配不均勻度ηi:

式中mi為第i排扁管內(nèi)二氧化碳的流量，kg/s，i:1ˉN為平均每根扁管內(nèi)二氧化碳的流量，kg/s。

總的流量分配不均勻度S描述不同參數(shù)下氣冷器內(nèi)部分配不均勻的程度，S越小，其流量分配越均勻，反之，流量分配越不均勻。公式如下:

其中N為扁管排數(shù)，i:1ˉN。

2.2 網(wǎng)格劃分及獨(dú)立性檢查

文中對(duì)同一D型集流管式微通道氣冷器選取了3種不同的網(wǎng)格考察網(wǎng)格尺寸對(duì)微通道氣冷器各排扁管的流量分配性能的影響，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。結(jié)果表明網(wǎng)格數(shù)達(dá)到205萬(wàn)時(shí)，再增大網(wǎng)格數(shù)對(duì)微通道氣冷器的各排扁管的流量分布影響已經(jīng)很小，各排扁管流量的平均偏差均小于，因此可以認(rèn)為此時(shí)網(wǎng)格已獲得獨(dú)立解。

圖2 網(wǎng)格數(shù)對(duì)氣冷器內(nèi)部流量分配的影響Fig.2 Effect of grid number on flow distribution characteristics of gas cooler

3 結(jié)果分析

3.1 不同型式集流管對(duì)流量分配性能的影響

模擬考察的參數(shù)為:組合深度0.4，扁管長(zhǎng)度200 mm，扁管排數(shù)8，扁管間距9.0 mm，微通道孔徑0.6 mm，二氧化碳進(jìn)口壓力10 MPa，進(jìn)口溫度358 K，進(jìn)口質(zhì)量流量0.028 Kg/s，扁管溫度設(shè)為308 K，集流管當(dāng)量直徑均為10.6 mm。分別對(duì)雙筒型集流管、單圓筒集流管、D型集流管3種不同型式的微通道氣冷器流量分配性能進(jìn)行考察。

圖3所示為不同集流管型式對(duì)微通道氣冷器中流量分配不均度的影響。從圖中可以看出，不同型式集流管對(duì)流量分配不均度的影響較為明顯，且曲線越接近于0基準(zhǔn)線，說(shuō)明流量分配就越均勻。三者的流量分配不均度均在±0.025之內(nèi)，且通過(guò)第1排扁管流量最少，其管內(nèi)質(zhì)量流量小于平均質(zhì)量流量，這主要是因?yàn)榱黧w從進(jìn)口處流經(jīng)到第1排扁管處，流動(dòng)面積突然減小，大部分流體從扁管與集流管間隙間繞流而過(guò)造成的;其中雙筒集流管變化幅度最大，D型集流管與單筒集流管曲線較接近，變化趨勢(shì)也較為一致，而從圖中也明顯可以看出，D型集流管曲線更接近于0基準(zhǔn)線，其分配不均勻度最小。另外，經(jīng)計(jì)算可以得到三種型式集流管氣冷器總的分配不均勻度S:D型為0.001 0;單筒型為0.002 1;雙筒型為0.003 2，即D型集流管在這幾種型式中扁管流量分配最均勻，總的不均勻度最小。由上述分析可以得出，采用D型集流管可以提高氣冷器流量分配性能。

圖3 集流管型式對(duì)流量分配不均勻度的影響Fig.3 Effect of header types on flow maldistribution

3.2 集流管當(dāng)量直徑對(duì)氣冷器流量分配性能的影響

模擬考察參數(shù)為:組合深度0.4，扁管長(zhǎng)度200 mm，扁管排數(shù)8，扁管間距9.0 mm，微通道孔徑0.6 mm，二氧化碳進(jìn)口壓力10 MPa，進(jìn)口溫度358 K，進(jìn)口質(zhì)量流量0.028 kg/s，扁管溫度308 K，分別對(duì) D型集流管當(dāng)量直徑為 10.6、11.9、13.3、14.6、15.9 mm時(shí)的流量分配性能進(jìn)行考察。

圖4所示為D型集流管當(dāng)量直徑對(duì)流量分配不均勻度的影響。從圖中可以看出，當(dāng)量直徑不同時(shí)，各扁管間流量的分配不均度隨扁管排數(shù)的變化趨勢(shì)大體一致。第1排扁管流量不均勻度均小于0，第3ˉ5排扁管內(nèi)扁管流量不均勻度接近0，并且由于重力及慣性力的影響，大部分二氧化碳流體向下流動(dòng)，在碰到入口集流管底部后，二氧化碳只能從扁管內(nèi)流動(dòng)，所以，下面幾排扁管的流量相對(duì)較大，越接近進(jìn)口扁管下壁面，扁管內(nèi)二氧化碳質(zhì)量流量越大，流量分配越不均勻。從圖中也可以看出，總的流量分配不均度隨著D型集流管當(dāng)量直徑的增加先減小后增加，當(dāng)當(dāng)量直徑de為13.3 mm時(shí)，不均勻度曲線更接近0基準(zhǔn)線，總的流量分配不均勻度最低。從而也說(shuō)明，在所考察的當(dāng)量直徑范圍內(nèi)，de為13.3 mm時(shí)氣冷器流量分配性能相對(duì)較好。

3.3 二氧化碳進(jìn)口質(zhì)量流量對(duì)氣冷器流量分配性能的影響

圖5所示為不同二氧化碳進(jìn)口質(zhì)量流量對(duì)D型集流管式微通道氣冷器流量分配的影響。模擬考察的參數(shù)如下:組合深度0.4，扁管長(zhǎng)度200 mm，扁管排數(shù)8，扁管間距9.0 mm，微通道孔徑0.6 mm，進(jìn)口溫度 358 K，進(jìn)口壓力為 10 MPa，扁管溫度308 K，當(dāng)量直徑為13.3 mm，二氧化碳進(jìn)口質(zhì)量流量分別為 0.014、0.028、0.056、0.084和 0.140 kg/s。

圖4 當(dāng)量直徑de對(duì)流量不均勻度的影響Fig.4 Effect of equivalent diameter on flow maldistribution

圖5 二氧化碳進(jìn)口質(zhì)量流量對(duì)流量不均勻度的影響Fig.5 Effect of inlet mass flow of carbon dioxide on flow maldistribution

從圖中可以看出，進(jìn)口質(zhì)量流量不同時(shí)，扁管間流量分配不均勻度隨扁管排數(shù)的變化趨勢(shì)基本一致，第一排扁管流量最小，第四排流量最接近平均值，最后幾排流量相對(duì)較多，整體保持上升趨勢(shì)。并且從圖中可以看出，總的流量不均度S隨著二氧化碳進(jìn)口質(zhì)量流量的增大，有逐漸增大的趨勢(shì)，但是這種增大的幅度是逐漸減小的。經(jīng)計(jì)算，二氧化碳進(jìn)口質(zhì)量流量從0.014 kg/s到 0.14 kg/s，總的流量不均度 S 的增長(zhǎng)幅度從剛開(kāi)始的5%下降到1.059%。

3.4 二氧化碳進(jìn)口壓力對(duì)氣冷器流量分配性能的影響

圖6所示為不同二氧化碳進(jìn)口壓力對(duì)微通道氣冷器流量分配的影響。模擬考察的參數(shù)為:組合深度0.4，扁管長(zhǎng)度 200 mm，扁管排數(shù) 8，扁管間距 9.0 mm，微通道孔徑0.6 mm，進(jìn)口溫度358 K，進(jìn)口質(zhì)量流量0.028 kg/s，扁管溫度 308 K，當(dāng)量直徑為 13.3 mm，分別對(duì)進(jìn)口壓力為8、9、10和11 MPa時(shí)的微通道氣冷器進(jìn)行模擬，來(lái)分析其流量分配性能。

圖6 二氧化碳進(jìn)口壓力對(duì)流量不均勻度的影響Fig.6 Effect of inlet pressure of carbon dioxide on flow maldistribution

從圖中可以看出，二氧化碳進(jìn)口壓力不同時(shí)，扁管流量分配不均勻度隨扁管排數(shù)的變化趨勢(shì)基本一致，第一排扁管流量最小，第四排流量最接近平均值，最后幾排流量相對(duì)較多，整體保持上升趨勢(shì)。并且從總的流量分配不均勻度來(lái)看，不同的進(jìn)口壓力對(duì)其影響較小，總的流量分配不均度均在0.001上下浮動(dòng)，因此可以認(rèn)為二氧化碳進(jìn)口壓力對(duì)流量分配性能的影響可以忽略不計(jì)。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬的可靠性，設(shè)計(jì)制作了扁管排數(shù)為10，邊長(zhǎng)為3 mm的方形通道的模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，模型材質(zhì)為有機(jī)玻璃，由于本實(shí)驗(yàn)只考慮流體流動(dòng)問(wèn)題，故選用常溫下的水作為流動(dòng)的介質(zhì)以替代超臨界二氧化碳流體，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和模擬的對(duì)比來(lái)驗(yàn)證每排微通道內(nèi)流量的分配情況。在進(jìn)口流量分別為18、28和38 L/h的情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，且每個(gè)流量下測(cè)量3組各排微通道的體積流量，最后取平均值，將所得實(shí)驗(yàn)值與模擬值進(jìn)行比較，對(duì)比結(jié)果如圖7所示。

從圖中可以看出，在相同的流量下，模擬值與實(shí)驗(yàn)值曲線變化趨勢(shì)基本一致，都是第一排流量最少，而后逐漸增大，最后一排流量最大。兩者相對(duì)誤差最大為10.1%，不超過(guò)15%，這是在工程允許范圍內(nèi)的，由此可見(jiàn)，數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)最終的測(cè)量結(jié)果吻合較好，由此可以證明本文的數(shù)值模擬具有較高的準(zhǔn)確度和可靠性。

圖7 模擬值與實(shí)驗(yàn)值比較Fig.7 Comparison between numerical and experimentalresults

5 結(jié)論

本文提出了一種新型微通道氣冷器ˉD型集流管式微通道氣冷器，并將其與傳統(tǒng)的微通道氣冷器進(jìn)行模擬對(duì)比，分析了集流管當(dāng)量直徑、二氧化碳進(jìn)口質(zhì)量流量、二氧化碳進(jìn)口壓力等參數(shù)對(duì)氣冷器流量分配性能的影響，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明:

(1)雙筒型、單筒型、D型3種不同型式的集流管對(duì)流量分配不均度的影響較為明顯，其中雙筒集流管變化幅度最大，單筒集流管次之，D型集流管與0基準(zhǔn)線最為接近，流量分配不均勻度最小，因此采用D型集流管可以提高氣冷器流量分配性能。

(2)集流管當(dāng)量直徑的變化對(duì)氣冷器流量分配不均勻度影響較大，隨著當(dāng)量直徑的增加，總的流量分配不均度先減小后增加，當(dāng)當(dāng)量直徑為13.3 mm時(shí)，總的流量分配不均度是最低的，其流量分配性能比較好。

(3)二氧化碳不同進(jìn)口質(zhì)量流量下，各排扁管流量分配不均度變化趨勢(shì)大體相同，總的流量不均度S隨著二氧化碳進(jìn)口質(zhì)量流量的增大，有逐漸增大的趨勢(shì)，但是這種增大的幅度是逐漸減小的。

(4)二氧化碳進(jìn)口壓力對(duì)氣冷器流量分配不均度的影響非常小，幾乎可以忽略不計(jì)。

(5)實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果變化趨勢(shì)吻合較好，兩者相對(duì)誤差最大為10.1%，在工程允許的范圍內(nèi)，由此驗(yàn)證了數(shù)值模擬計(jì)算的可靠性。

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